AR-10 là một mẫu súng trường trọng lượng nhẹ, bằng đạn tháo lắp, sử dụng khí vận hành với một piston chứa tia quay. Súng có bố cục thông thường; buồng đạn và nòng thẳng hàng, một bộ máy súng bằng hợp kim nhôm và nhiều chi tiết dùng sợi thủy tinh để có trọng lượng nhẹ. Mặc dù hầu hết là những thiết kế ban đầu, AR-10 được xây dựng dựa trên các khái niệm đã được chứng minh trước đó. Từ FAL, hệ thống máy súng có bản lề cho phép súng được mở để làm sạch giống như một khẩu súng ngắn. Nắp che buồng đẩy đạn tương tự như kiểu thiết kế mẫu StG44 của Đức trong Thế chiến II. Cơ chế khóa nòng tương tự như súng trường M1941 Johnson (bản thân nó là bản cải tiến của khóa nòng Remington Model 8 được thiết kế theo kiểu Browning). Từ ý tưởng thiết kế súng máy hạng nhẹ MG 13 của Đức, súng máy FG 42 và M1941 Johnson đã nảy ra ý tưởng về cách bố trí buồng đạn và nòng súng nằm trên đường thẳng. Cấu hình "đường thẳng" làm tăng khả năng kiểm soát trong khi khai hỏa hoặc bắn tự động bằng cách giảm độ giật.[44] Giải pháp khóa nòng xoay, giật thẳng và trích khí của AR-10 đã tăng cường độ chính xác vốn có của nó.

Hệ thống trích khí, bệ khóa nòng và thiết kế khóa nòng khá là mới lạ thời bấy giờ. Hầu hết các súng trường vận hành bằng cơ chế trích khí chuyển hướng từ cổng trích khí trên nòng súng sang piston và xi-lanh liền nhau. Thiết kế của Stoner lại trích khí từ một cổng trích khí gần giữa nòng súng thông qua một ống thép đưa trực tiếp trở lại máy súng. Cơ chế này cải thiện đáng kể độ chính xác, cũng như giữ được hướng nhắm của súng trường mục tiêu khi bắn. Vì buồng đạn và nóng súng nằm thẳng hàng với bệ áp mắt của người bắn ở phía trên nòng súng, đầu ruồi ngắm của súng được đặt ở trên cao, với một quai xách súng kiêm khe ngắm.

Máy súng được làm từ nhôm rèn và gia công để giảm trọng lượng. Trên một vài khẩu nguyên mẫu, nòng súng được làm hoàn toàn bằng nhôm ("Sullaloy") đã được trang bị theo sự khẳng định của George Sullivan - chủ tịch của ArmaLite - mặc dù sau các cuộc thử nghiệm Springfield Armory năm 1957, tất cả các khẩu AR-10 sản xuất đều được trang bị buồng đạn thép tiêu chuẩn.[45] Nhiều thành phần súng được làm từ nhựa gia cố bằng sợi thủy tinh. Fairchild là một nhà sản xuất máy bay, và việc sử dụng nhựa, titan và nhôm là phổ biến trong ngành công nghiệp máy bay vào thời điểm đó, mặc dù thường không được sử dụng trong súng.

Một số nguyên mẫu thử nghiệm của biến thể AR-10 dùng dây đai đạn được phát triển bởi các kỹ sư ArmaLite và AI, được chỉ định không chính thức là AR-10 LMG. Trong một phiên bản, đai được nạp vào súng qua máng chạy gắn với thùng đạn 250 viên được mang trên lưng người lính. Tất cả các nguyên mẫu dùng đai đạn đều gặp phải nhiều vấn đề với trục trặc với khả năng nạp đạn và hỏng bộ phận, và những vấn đề này không bao giờ được giải quyết hoàn toàn trong giai đoạn phát triển của vũ khí, kết thúc bằng việc chấm dứt hợp đồng sản xuất AI.[46] Do đó, không có biến thể AR-10 LMG nào được bán.[47]